没有这位”2018未来科学大奖“得主,就没有台积电的今天!

林本坚获2018未来科学大奖数学与计算机科学奖

他改变了全球半导体产业技术路径,让老大哥英特尔(Intel)及设备商艾斯摩尔(ASML)、尼康(Nikon)等业内巨头,舍弃耗费逾10 亿美元和数年的研究心力,跟着他与台积电一起转弯。 不但全球半导体制程得以往下推进6到7 个世代,约14年时光,台积电也因此跻身一线大厂、主导业界规格。

他是中研院院士林本坚,台积电前研发副总经理。 台积电董事长张忠谋曾称,假如没有林本坚及其团队,‘台积电的微影(半导体关键制程之一)不会有今天这规模。 ’

9月8日,第三届“未来科学大奖”颁奖典礼上林本坚摘得三项大奖之一的“数学与计算机科学奖”。而林本坚之所以能够摘得“数学与计算机科学奖”,也主要在于其一系列突破性的创新所开拓的浸润式微影(也称光刻)方法,革新了集成电路的制程,使先进半导体芯片的特征尺寸能持续缩减为细微纳米量级,在过去十五年以及可预见的未来,为建造最强大的计算和通信系统做出了关键贡献。

公众号“知识分子”介绍称,正是因为他的发明,影响了世界半导体产业发展的技术路径,包括英特尔等在内的一大批国际巨头由此舍弃耗资巨大的研究积累追随其技术标准,从此造就了台湾半导体的辉煌成就,对台湾科技业发展贡献巨大。

推动浸润式微影革命

传统的“干式”微影自1959年半导体工业界发明平面积成电路以来被持续使用了四十年,然而受限于基本光学衍射,在90年代后期,用该方法制造特征尺寸小于65纳米的芯片面临无法逾越的瓶颈。

林本坚预见昂贵的“干式”微影技术将进入死角,建议使用浸润式或“湿式”微影,该方法是一种新的微影工序,透过液体介质置换透镜和晶圆表面之间的气隙以提高光学解析精度。虽然原始的浸润式概念在80年代曾提出过,但距离可实现的方法很远。

为使得全面表征及优化浸润式微影系统,林本坚定义了并导出了关键性能指标和缩放公式,为极高解析度的三维浸润式微影光学系统规范了必须遵行的缩放定律。他还研发出克服液体中微气泡形成的方法,开拓了在热力学极限下,经由水而衍射的微影工序。

他的一系列发明在科学和工程上证实了“湿式”微影方法可用于最先进的IC制程,他的突破性发明和持久的技术引领促使全球半导体工业界改用“湿式”微影方法。在过去的十五年中浸润式微影方法用最有成本效益的193nm ArF为激光源显影,将IC技术节点从65nm循产业路线图持续降至7nm,使得摩尔定律得以持续延伸了七代。根据IEEE近期的数据统计,浸润式微影技术制造了至少世界上80%的晶体管。

自六十年前发明集成电路以来,半导体技术推动了人类历史上最大的工业及社会化革命。在庆祝集成电路诞生六十周年之际,将未来科学大奖的数学和计算机科学奖 - 授予这位极具成就的科学家和发明家,半导体工业界的英雄,“浸润式微影之父”不仅恰当且意义深远。

出生在越南的林本坚,在台湾上高中,并于1970年获得美国俄亥俄州立大学电机工程博士。他在IBM不断提高成像技术,一干就是22年。2000年,林本坚回到台湾,加入了台积电。

退休后在清华大学担任特聘研究讲座教授的林本坚,近日出版他第一本半自传式著作,并与我们一起重温当年他是如何扭转乾坤。

 一沙一世界、一纳米一宇宙

时间回溯到2002年,林本坚受邀参加一场国际光电学会技术研讨会,会中他发表这项发现,语惊四座,因为当时的半导体设备商多研发焦点放在如何延续干式机台的生命,并已耗费数十亿美元进行开发。林本坚的理论无疑是在业界投出一颗炸弹,但经过他无数研讨会努力奔走、寻找与设备商合作,最后,台积电在2004年与ASML共同完成开发全球第一台润式微影机台,让业界在震惊之余也刮目相看。

如今,浸润式显影不但是英特尔(Intel)等半导体龙头、设备商所认定的跨入45纳米制程之后的解决方案,也已正式纳入国际半导体蓝图架构成为主流。

林本坚曾说,22纳米制程之后多重直接式电子束(E-Beam Direct Write)将是最佳解决方案,他说航太工程的演进给了他许多灵感,他巧妙地比喻,现在许多设备商投入的EUV设备就像是太空梭一样成本太昂贵,又不适合载客,E-Beam就是向不需要飞行跑道的直升机,可以直接空降在晶圆上,灵巧又符合成本效益。看来“一沙一世界、一纳米一宇宙”这句话用在他身上再洽当也不过了。

  他的提案,同业主管批搅局

“虽千万人,吾往矣! ”林本坚如此形容他2002 到 2004 年那改写历史的一役。

当时状况是这样的:随着半导体制程往下演进,关键制程之一的微影,也得持续缩短光束波长。 一直以来,业界习惯以空气为媒介,是‘干式’的微影,但此技术却已‘撞墙’,在157nm波长卡关。 而当时任职台积电的林本坚却跳脱框架,退回157nm波长的上一世代,改用水做为介质,发展出‘浸润式微影’技术,让光束波长一举缩短至134nm纳米,突破瓶颈。

这样的破框思维,起初却是孤独,甚至遭受敌意。

因其他业者已投入共计逾十亿美元研发经费在干式显影上,接近当时台积电一整年的资本支出。 林本坚的理论若被采用,等于宣告其他人前功尽弃。 台积电前共同营运长蒋尚义为林本坚写序:“(当年)确实有大公司的高层主管表达严重关切,希望我能管管他(林本坚),不要搅局。”

  他做事前,会推演到穷尽

对内,林本坚要让蒋尚义和张忠谋等主管埋单,对外,则要说服业界抛弃原有投入。

他的秘诀,是“彻底”二字,彻底的思考,并彻底执行。 “像下棋一样,要先想好后面好几步”,林本坚说,做事前,推演至穷尽,是他一直以来的习惯,“把所有可能一直想下去,(直到)想不到可能。”

一位曾和林本坚走过那一役的台积电主管记得,起初反对方常在国际研讨会上与台积电针锋相对,质疑以水做为介质易产生污染,且水中的气泡会影响曝光等等。对外界疑虑有备而来的林本坚,决定更彻底解决,便带着团队在半年内完成三篇论文,投稿到国际期刊,连还未被提出的质疑也一并设想、响应。 “原本一个美国大厂的代表说他们绝不用这技术,结果一个(半导体制程)世代后,他们也用了。”

除了论理,林本坚的沟通也做得彻底,当时他跑遍美国、日本、荷兰与德国等地,一一拜会业界,促使艾斯摩尔与尼康等厂商转向。 他说,沟通,是他从张忠谋身上学到重要的一课。

从他2000年加入台积电以来,张忠谋每一季便固定与三级主管们分两梯次共进午餐,与副总经理们则每月聚会。 会中张忠谋与主管们可从公司发展聊到国际政经情势,包括台积电最核心的“诚信正直”、“承诺”等价值,也在其中凝聚,“董事长会鼓励大家问他问题,有时候大家问得好,他就很高兴的回答,什么都不吃了。”

“想得彻底、做得彻底,是他的习惯”,和林本坚牵手50 年的妻子黄修慧举例,他担任教会诗班指挥,许多成员不擅长读五线谱,遇到重复段落的符号,常忘记回头重唱,一般指挥会不断纠正提醒,但林本坚则彻底解决问题,重新誊打歌谱, 把重复符号后的谱直接写出来,让所有人能顺利唱下去。

  他彻底,但遇问题更懂绕道

不过,林本坚的‘彻底’带着巧劲,他认为遇到困难,有时不妨先停下、休息,甚至绕道,再前进,会比只是遵循前人道路,一味的“愚公移山”好。 当初他提出浸润式微影,就是绕出业界的惯常道路,迸出灵光。

“他常说,想象可以无穷,只是实际运用时,要谨慎,他从来不抑制工程师的任何想法”,前述台积电主管表示,林本坚相当鼓励部属想象,如此才可能创新。

两年前开始在大学任教后,林本坚也如此期许学生,不要成为填鸭教育‘恶补的奴隶’。 他鼓励学生们合作,规定有些作业必须组队完成,就像他过去扭转半导体规则,虽由他一人提出想法,后续却需要张忠谋与蒋尚义等人的支持,并在外找到盟友,才能实践划时代的技术。

“我希望能尽量把一些有价值的事传承给下一代”,和写书的初衷一样,今年76 岁的林本坚,要持续以学校做为平台,传授思考与实践之道。

综合自:商业周刊、网易科技

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